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西安建筑科技大学硕士学位论文 投加煤粉对m b r 处理效果及膜污染的影响 专业： 硕士生： 指导教师： 环境工程 康泽龙 金奇庭教授 摘要 膜生物反应器技术是由污水生物处理技术与膜分离技术结合而成的新型污 水处理与回用工艺。作为一种高效、实用的污水回用新技术，近年来受到国内外 学者的密切关注。本课题就m b r 在未投加煤粉处理模拟生活污水的试验基础上， 向m b r 中投加煤粉，对比研究了两过程中的污染物去除特性和膜通量衰减规律 及恢复措施，试验结果表明： m b r 对c o d 和氨氮的去除效果好且出水水质稳定，在整个运行过程中，出水 c o d 和氨氮始终保持在3 0 m g l 和5 m g l 以下。煤粉本身几乎没有吸附作用，但是投 加煤粉能改变活性污泥的性质，从而明显降低出水c o d 和氨氮的浓度，稳定出水 水质。 利用同步硝化反硝化进行脱氮，溶解氧为0 8 1 2 m g 几左右时总氮去除效 果最好，基本维持在8 0 以上。在溶解氧相同的情况下，投加煤粉后脱氮效果明 显好于不加煤粉。 系统由间歇出水改为连续出水后，膜通量的衰减规律没有明显变化；而投加 煤粉能大大减小膜通量的衰减。空曝气对膜通量有一定的恢复作用，但不彻底； 闲置对膜通量的恢复作用稍好于空曝气，闲置1 5 h 时，对膜通量的恢复效果最 好；在反冲强度为0 7 5 m 3 m 2 h 的条件下进行空气反冲洗，不加煤粉时，空气 反冲洗后膜通量呈直线下降。投加煤粉时，空气反冲洗后膜通量分两个阶段下降， 第一阶段膜通量衰减缓慢，第二阶段膜通量衰减速度增大。 清水冲洗、n a o h 浸泡、h c i 浸泡和n a c i o 浸泡都可以使膜通量有所恢复， n a c i o 对膜通量恢复的贡献是前三者之和的1 6 倍。n a c i o 溶液浸泡可以有效去 除膜面上粘附的有机物和无机沉淀物，因此是一种行之有效的膜清洗方法 关键词：膜生物反应器污水处理煤粉膜通量膜清洗s p s s 本课题得到下列科研项目资助：广东省社会发展计划项目编号：2 0 0 4 8 3 6 0 0 1 0 4 8 陕西省教育厅专项科研计划项目编号：0 2 j k l 3 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 e f f e c to fd o s i n gc o a lf i n e so nr e m o v a le f f i c i e n c ya n d m e m b r a n ef o u l i n gi nm b r s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：z e l o n gk a n g s u p e r v i s o r ：q i t i n gj i n ( p r o f e s s o r ) a b s t r a e t m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m a r ) t e c h n o l o g yi sac o m b i n e dp r o c e s so fb i o l o g i c a l t r e a t m e n tw i t hm e m b r a n es e p a r a t i o n a sa ne f f i c i e n ta n df e a s i b l et e c h n o l o g yo f w a t e r - r e u s i n g ，i th a sg a i n e dc o n s a n g u i n e o u sa t t e n t i o na a a o n gs c h o l a r si nt h ew o r l d u s i n gt h em b r , i n t ow h i c hc o a lf i n e sw a sd o s e d ，p i l o ts c a l et e s t sw e r ec a r r i e do nt o t r e a ts i m u l a t ed o m e s t i cw a s t e w a t e r c o m p a r e dw i t ht h em b rw i t h o mc o a lf i n e s ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em b rw i t hc o a lf i n e sc o u l dn o to n l yr e d u c et h ef i l t r a t i o n r e s i s t a n c ea n dk e c pg o o dm e m b r a n ef l u x ，b u ta l s oi m p r o v et h ee f f l u e n tq u a l i t y e x p e r i m e n t a lm s l l l t ss h o w ： i nm ew h o l er u n n i n go fm b rc o da n dn h 4 + - na r ea l w a y su n d e r 3 0 m g la n d 5 m g l c o a lf i n e sc a nn o ta d s o r ba n yp o l l u t a n t , b u ti tc h a n g e st h ec h a r a c t e ro fa c t i v e s l u d g e ，s ot h ei tc a ni m p r o v et h ee f f l u e n tq u a l i t y w h e nd ow a so 8 1 2 m g l s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o nh a d r e m o v a lt ne f f l e i e u c i e s k e e pw i t hm o r et h a n8 0 b a s i c a l l y w h e nd oi s c o n f o r m a b l e ，t h ee f f e c td e n i t r a t i o no f t h em b rw i t hc o a lf i n e si sb e t t e rt h a nt h em b r w i t h o u te o a lf i n e s w h e nf i t f u le f f l u e n tc h a n g e df o rc o n t i n u o u se f f l u e n t , t h e r ew e r en o td i f f e r e n c ei n m e m b r a n ef l u xa t t e n u a t i o n , b u tc o a lf i n e sc a nm d u c et h ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c ea n dk e 印 g o o dm e m b r a n ef l u x n o - e f f l u e n ta e r a t i n gw e r eg o o df o rt h ec o m e b a c ko fm e m b r a n e f l u x ，b u ti ti sh a l f w a y l e a v eu n u s e dw a sal i t t l eb e t t e rt h a nn o - e f f l u e n ta e r a t i n gf o r t h ec o m e b a c ko fm e m b r a n ef l u x w h e nt h e i n t e n s i t yo fa i rb a c k w a s hw a s o 7 5 m j m 2 h m e m b r a n ef l u xd e c l i n e dl i n e a ra f t e ra i rb a c k w a s hi f w i t h o u tc o a lf i n e s ， a n dm e m b r a n ef l u xd e c l i n e dl i n e a ri nt w o p h a s ea f t e ra i rb a c k w a s hi fw i t hc o a lf i n e s i nt h ef i r s tp h a s e ，m e m b r a n ef l u xd e c l i n e dw a sm o r es l o w l yt h a ni nt h es e c o n d p h a s e w a t e rw a s h , n a o hm a r i n a t i n g , h c lm a r i n a t i n ga n dn a c l 0m a r i n a t i n gw e r e g o o df o rt h ec o m e b a c ko fm e m b r a n ef l u x t h ee f f e c to fc o m e b a c ko fm e m b r a n ef l u x n 西安建筑科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! w i t hn a c i ow a se q u i v a l e n tt ot h es u n lo fa n t h e rt h e r e n a c i oc a l lr 锄o v e 丘o m t l l e o r g a n i c a l l ya n dm i n e r a ls e d i m e n tw h i c ha d h e r et om e m b r a n ee f f e c t u a l l y , s oi ti sa e f f e c t i v ew a yf o rm e m b r a n e c l e a n i n g k e y w o r d ：m e m b r a n eb i o r e a e t o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o a lf i l l e s m e m b r a n ef l u x m e m b r a n e c l e a n i n g s p s s t h i sp r o g r a mo b t a i n sf i n a n c i a la i df r o mt h e l i s t e ds e i e n t i f i c s e a m hi t e m ： t h eg u a n g d o n gp r o v i n c ep l a n n e dp r o j e c tt os e e i e t a ld e v e l o p m e n t p r o j e e tn u m b e r ：2 0 0 4 8 3 6 0 0 1 0 8 4 s h a a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o n a lh a l lf o rg r a n t p r o j e c tn u m b e r ：0 2 j k l 3 6 i i i 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：京降葱 关于论文使用授权的说明 日期：加f 一，。2 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文储硌瓣龙翩龇色纨期：埘 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1前言 6 0 年代以来，世界上许多国家和地区相继出现了“水资源危机”，据预测， 二十一世纪初，水资源危机将位居世界各类资源危机之首。我国属世界1 2 个贫水 国家之一，人均水资源只有世界人均占有量的1 4 ，全国有近8 0 城市缺水，每年 因缺水而造成的经济损失达1 2 0 0 亿元“。1 。水资源短缺已成为我国经济发展的限 制因素，因此，实现废水资源化利用以缓解水资源供需矛盾，促进我国经济的可 持续发展显得十分重要。 废水资源化就是将废水进行深度处理后作为再生资源回用到适宜的位置。 和其它废水相比，城市污水水质稳定可靠，只有0 1 的污染物质( 海水为3 5 ) ， 可生化性强，易于处理，而且就近可得，易于收集。，因此城市污水的处理回用 在废水资源化中占有重要地位，世界各国都将城市污水回用作为解决缺水问题的 酋选方案“1 。在美国，有3 0 0 余座城市实现了废水处理后再利用，1 9 8 7 年以色列 全国已有2 1 0 个城市污水回用工程，城市污水回用率达7 2 伽，1 9 年纳米比亚温 得和克市废水回用量达n 2 1 0 0 0m v d 嘲，我国北京市目前也己建成首都机场、中 国国际贸易中心、清华浴池等几十项中水工程，总设计能力3 0 0 0m d “”。在水 资源紧缺的现实下，将废水( 特别是城市污水) 进行深度处理后作为再生资源是必 然的发展趋势，资源化利用技术的推广应用势在必行。 1 2 废水资源化利用的方向 废水经过二级处理或再经深度处理达到有关标准后，可以回用于对应方向。 废水资源化利用主要有以下几个主要方向： ( 1 ) 农业灌溉用于农田灌溉时，通常是采用处理后的城市污水，对其处理 程度要求不高，处理后一般仍含有较高的氮、磷、钾等成分，用于灌溉可以给土 壤提供水分和肥分，增加农作物产量，同时可以减少化肥用量，而且通过土壤的 自挣作用能使污水得到进一步的净化。因此，将处理后的污水应用于农业灌溉既 可以取得经济效益，又可以保护环境，是一种符合可持续发展的回用方式。但是 必须认真考虑水中存在或者有可能存在的致病生物在公共卫生方面可能造成的 影响，以及污水对农作物生产、土壤结构及土壤中金属和其他有毒物质积累等农 学方面的影响。 ( 2 ) 工业用水工业回用对象一般是用水量大，对处理程度要求不高的冷却 水和工艺低质用水，污水处理厂二级处理出水只需进行物化处理即可满足许多工 业用水水质要求，处理工艺简单，成本低。而且工业用户紧靠再生水供应点，2 4 小时连续用水，因而是较理想的回用对象。南非早在1 9 4 2 年就开始使用净化的污 水作为冷却水，美国3 5 7 个城市污水回用总量的4 0 5 回用于工业“”，日本城市污 西安建筑科技大学硕士学伊论文 水回用总的4 1 回用于工业旧，可见工业回用是资源化利用的主要方式之一。 ( 3 ) 城市用水城市用水可分为饮用水和非饮用水，非饮用水水质指标介于 上、下水水质标准之间，故又名中水。通常情况下，将污水处理到非饮用水程度， 作为中水回用于清洁、绿化、洗车、消防，或补给河湖、地下水。研究表明，中 水的长期使用不会对用水器具产生不利影响“”，其水质也满足消防要求，对消防 系统几乎不产生危害“”，经过除磷脱氮后，将总磷控制在0 5 m g l 以下可以有效 控制回用水体的富营养化进程”。中水回用是一项投资省，见效快的切实可行的 节水技术，将其补给河湖、地下水，打破了仅在工厂内直接循环的管对管的污水 处理系统，使之参与水体循环，缓解了用户的心理障碍，为其作为饮用水回用奠 定基础。纳米比亚温得和克市自1 9 6 9 年开始将处理后的污水回用于饮用水，美 国丹佛市日处理3 7 8 5d d 的污水回用于饮用水的示范工程在1 9 8 5 年开始运行“”， 实践证明，现有技术完全可以将出水水质提高到大多数饮用水水源水平，处理后 的污水回用于饮用水是可行的。但目前没有解决回用废水作饮用水带来的公共卫 生方面的问题，若非处于极端缺水条件下，一般不要轻易用作饮用水用途。 l - 3 废水资源化利用技术 废水资源化利用技术的关键在于对废水的处理，而城市污水的处理与回用 在废水资源化中占有重要地位，以城市污水的处理对象的技术也应用最广泛，代 表性最强。城市污水由于可生化性好，其主处理过程一般采用生物法，处理前需 进行预处理，并根据回用水的水质要求，对主处理出水进行深度处理，进一步去 除水中杂质，以达到回用要求。 1 3 1 预处理 在进行生物处理前必须对城市污水进行预处理。一般采用栅条间距1 6 2 5 m m 的格栅，用以截阻大块的悬浮或漂浮的固体污染物，其后设沉淀池以去除砂 砾类无机固体颗粒，设调节池以降低对后续生物处理的冲击负荷。 1 3 2 生物处理 城市污水的处理中常用的生物方法主要有活性污泥法、生物膜法、氧化塘、 土地处理和膜生物法。 近年来，污水处理技术取得很大发展，但人们仍在不断致力于更高效、低 耗、占地更少的新工艺的开发和研究，主要通过两条途径：一是从“质”出发， 提高微生物的生物活性：二是从“量”出发，增加参与作用的微生物量。活性污 泥法中的生物吸附氧化法、生物膜法中的高负荷生物滤池固体接触工艺，生物 曝气滤池及膜生物反应器的开发就是从上述思路出发的。 1 3 3 后处理 由于城市污水经传统的二级处理后，出水中仍含有大量的可溶性有机物和 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 无机物、悬浮固体和病源体等物质，通常不能满足废水资源化利用的需要，因此， 对废水进行深度处理的技术应运而生，包括除氮磷、溶解性有机物、溶解性无机 物、消毒、脱臭、除色等有关有毒物质的处理。常用技术包括针对二级处理出水 的传统处理( 混凝、沉淀过滤) 、活性炭吸附、臭氧氧化、离子交换、膜分离和土 地渗滤等深度处理工艺m “实际应用中，根据回用水水质要求以及二级出水 中要去除的主要污染物，选择相应的处理方法。 此外，在某种程度上将二级处理和深度处理给为一体的膜生物反应器等新 技术也应运而生“”。因其集b o d 、c o d 、s s 和n h ；- n 的去除于一体，出水水质优 良，经消毒处理后，其水质可达到国家建设部颁布的生活杂用水水质标准( c j 2 5 1 - 8 9 ) ，直接回用，因而在废水资源化利用技术中具有重要地位。本研究以膜 生物反应器为对象，研究其在废水处理中的设计参数与处理效果。通过膜生物反 应器的应用与优化，促进其在废水处理与资源化利用中的应用，以保护污染日益 严重的水环境，缓解水资源供需矛盾，促进我国经济的可持续发展。 1 4 膜生物反应器 。 1 4 1 膜生物反应器的基本原理 膜生物反应器是将生物反应器技术和膜分离技术结合而成的一种新型污水 处理与回用工艺。其主要由生物反应器和膜组件两个单元设备组成，污水首先进 入生物反应器，污染物在生物反应器中被微生物同化和异化，异化产物多为无害 的c 0 2 和h 吼，同化物质成为微生物的组成部分。膜组件主要用于截留微生 物和过滤出水，由于膜的截留过滤作用，微生物可以被有效地截留在反应器中， 从而控制微生物在反应器中的停留时间( 污泥龄) 以及有效地对出水进行消毒。 由于膜生物反应器对污水同时进行降解和过滤作用，所以出水水质较好，通 常有机污染物( c o d 或b o d 5 ) 和悬浮物的去除率可以达9 5 以上。由于膜 的良好截留作用，解决了传统工艺中污泥停留时间和水力停留时间难以协调的问 题，从而优化生物处理工艺，提高其可行性和灵活性。 1 4 2 膜生物反应器的分类 按膜组件和生物反应器的相对位置，膜生物反应器可以分为分置式膜生物 反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器三种【1 9 1 。 分置式m b r 如图1 1 所示，膜组件和生物反应器分开设置，生物反应器中 的混合液由泵增压后进入膜组件，在压力作用下膜过滤液成为系统处理出水，活 性污泥、大分子物质等则被膜截留，并回流到生物反应器中。分置式m b r 的特 点是：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换和增设，而且膜通量 普遍较大。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，为 此动力消耗较高。 西安建筑科技大学硕士学位论文 空气污泥回流 图l _ 1 分置式膜生物反应器 一体式m b r 如图l - 2 所示，根据生物处理的工艺要求，可分为两种组成形 式：第一种有两个生物反应器，其中一个为硝化池，另_ 个为反硝化池。膜组件 浸没于硝化反应器中，两池之间通过泵来更新要过滤的混合液。该组合方式基于 一下原因：可以提供配套( 整装) 的膜和设备，便于旧系统的更新改造；将 膜浸没池作为好氧区，而生物反应池作为缺氧区以实现硝化一反硝化的目的； 便于将膜隔离进行清洗。第二种组合最简单，直接将膜组件置于生物反应器内， 通过真空泵或其它类型的泵抽吸，得到过滤液。为减少膜面污染，延长运行周期， 一般泵的抽吸是间断运行的。 出水 生物反应器 图1 - 2 体式膜生物反应器 一体式m b r 利用曝气时气液向上的剪切力来实现膜面的错流效果，也有采 用在一体式膜组件附近进行叶轮搅拌和膜组件自身的旋转来实现膜面错流效果。 与分置式相比，一体式的最大特点是运行能耗低，占地更为紧凑，近年来在水处 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 理领域受到了特别关注。一些学者认为，一体式在运行稳定性、操作管理方面和 清洗更换上不及分置式。 复合式膜生物反应器在形式上也属于一体式膜生物反应器，不同之处在于 生物反应器内加装填料，从而改变了膜生物反应器的某些性状，使生物反应器内 既有悬浮相的活性污泥又有附着相的生物膜，从而提高了反应器内污泥浓度，增 强了处理废水的能力，提高了运行的稳定性。其示意图见图1 3 。填料可采用常 规填料或其它如泡沫塑料、颗粒活性碳等。 空气 图l - 3 复合式膜生物反应器 出水 根据生物反应器的需氧性又可分为好氧膜生物反应器和厌氧膜生物反应 器。根据生物反应器的受压情况又可分为膜常压生物反应器和膜加压生物反应 器。在膜加压生物反应器中，生物处理装置处于加压状态。 1 4 3 膜生物反应器的特点 膜生物反应器技术具有其它生物处理工艺无法比拟的明显优势，主要有以 下几点。 ( 1 ) 处理效率高，m b r 对含碳有机物的去除率一般大于9 0 ，出水达到回 用水指标，并从根本上解决了污泥膨胀问题。m b r 对有机物的去除效果来自两方 面：一方面是生物反应器内微生物对有机物的降解；另一方面是膜对有机物大分 子的截留作用。在处理某些工业废水时，膜的截留作用有利于培养出一些对该种 废水有特殊降解能力的专属细菌，同时还可延长大分子物质的停留时间，使岫r 处理难降解有机物的能力得到加强；m b r 采用膜过滤几乎可以截留水中所有悬浮 物，选择性膜还可以截留混合液中的大分子物质和细菌，病毒等，使得出水水质 好。m b r 使泥水分离不再依靠重力沉降，因此从根本上杜绝了污泥膨胀对出水水 质和生物处理系统的影响。 ( 2 ) 容积负荷高( 是传统活性污泥法的1 3 1 7 倍) ，抗负荷冲击能力强。 西安建筑科技大学硕士学位论文 由于膜的高效截留作用，使微生物完全截留在反应器中，实现了水力停留时间 ( h r t ) 和污泥停留时间( s r t ) 的完全分离，因而能在反应器中保留足够高的污 泥浓度，这不仅使m b r 所能达到的容积负荷大大提高，还使系统抵抗冲击负荷和 有毒有害物质的能力得到了加强，并使系统运行的稳定性得以提高。 ( 3 ) 具有较高的脱氮效果。m b r 中长的污泥停留时间有利于增殖慢的细菌 ( 如硝化细菌等微生物) 生长。c o t e 等研究发现当污泥龄由1 0 天增加为5 0 天时氨 氮的去除率由8 0 增加到9 9 ；此外，膜生物反应器中较小的絮体有着更大的周长 和面积比，氧传质阻力小，从而提高了硝化速率。另外，m b r 中污泥浓度高，因 而可以在污泥絮体中形成表面好氧、内部缺氧状态，所以可以在同一反应器中实 现硝化和反硝化，使m b r 在去除c o d 的同时具有良好的脱氮效果。 ( 4 ) 泥龄长。膜分离使污水中的大分子难降解成份，在体积有限的生物 反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物豹降解效率。反应器在高 容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行，可以实现基本无剩余污泥排放。目前剩 余污泥的处理与处置已成为污水处理厂能否正常运行的制约因素之一，它的费用 占到污水处理厂总运行费用的2 5 4 0 ，有的甚至高达6 0 。因此，从源头上减少 污泥的产生量就显得非常必要和关键，这些因素推动和促进了具有剩余污泥少特 点的m b r 技术的开发及研究。 ( 5 ) 系统采用p l c 控制，可实现全程自动化控制。m b r 由于构筑物少，系 统结构紧凑，非常容易加工成成套设备，便于运输和安装，可大大缩短施工期。 另外，自动化程度高，可实现无人值班看守，因此大大节约了人工费。 ( 6 ) 占地面积小，工艺设备集中。膜生物反应器仅用一个膜分离装置就 完全实现了在常规生物处理中需要用较大的二沉池和砂滤系统才能实现的功能， 使系统变得较为紧凑，减小了占地面积。特别是一体式m b r 在一个反应器中同时 实现了生物降解和泥水分离，更是如此。d a v i s 等对不同规模的膜生物反应器和 传统活性污泥法水处理厂进行比较发现，岫r 占地面积节约了i 2 2 3 。 总之，膜生物反应器具有许多其它处理方法所不具备的优点，特别是出水 水质可以满足目前最严格的污水排放要求。但是也存在膜污染、膜清洗和膜更换 以及能耗高等问题，有待有研究解决。 1 4 4 膜生物反应器的现状与发展 1 4 4 i 膜生物反应器的研究进展 1 9 6 6 年，美国的d o r c - o l i v 口公司首先将m b r 用于废水处理的研究；1 9 6 9 年，s m i t h 等将好氧活性污泥与超滤膜相结合的i v i b r 用于处理城市污水，研究 证明，该工艺具有减少活性污泥产量、维持较高污泥浓度、减少污水处理厂占地 面积等优点。2 0 世纪7 0 年代初期，好氧i v l b r 处理城市污水的实验研究进一步 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 扩大。1 9 7 0 年，h a r d te ta l 将完全混合式生物反应器与超滤膜结合在一起进行污 水处理，c o d 去除率达到9 8 ，除水中不含细菌；g r e t h t e i n 等在1 9 7 8 年进行了 厌氧消化池膜系统处理生活污水的研究，b o d 和n o r 的去除率分别达到了9 0 和7 5 。 1 9 9 0 年，c h i e m c h a i s f i 等人在泰国进行了中空纤维生物反应器中试规模的 研究；1 9 9 2 年，c h i e m c h a i s r i 眦a l 用m b r 工艺处理生活污水，出水水质好于二 级处理后再经消毒的出水；n a g a n oe ta l 报道了m b r 污泥浓度在好氧和厌氧系统 中可达2 8 7 9 l 和1 1 3 3 9 l ；1 9 9 4 年，b a i l e yc ta l 用错流式微滤m b r 处理生活 污水，对c o d 的去除率达9 7 以上；1 9 9 5 年，m u l l e re ta l 用错流式m b r 工艺作 中式试验，运行3 0 0 d ，污泥浓度达4 0 5 0 9 l ，体积负荷与污泥负荷分别为0 9 2 o k g c o d ( 一d ) 和0 0 2 1 k g ( k g m s l l d ) ，总有机碳去除率大于9 0 ，基本 实现完全硝化，另有4 0 9 6 的氮被反硝化去除；1 9 9 6 年，w i n n e ne ta l 用陶瓷膜 生物反应器处理人工合成废水，对c o d 、s s 、t k n 、n h 3 - n 的去除率都非常好，并 能有效截留m s 一2 型脊髓灰质病毒和异样细菌；1 9 9 8 年，s a k e l l a r i o u s 在研究 m b r 污泥零排放时，对穿流式m b r 和错流式m b r 进行了比较，发现穿流式的能耗 为1 1 5 k w h m s ，比错流式的能耗5 6k w h m 3 小得多；1 9 9 9 年，一种新型的一体 式m b r - 重力淹没式m b r 在日本试验成功，t a t s u k iu e d a 等人采用膜组件上部混 合液的高度差所产生的水压将水压出没组建，处理每吨水能耗为2 4k w h m 3 。 m b r 在我国水处理方面的应用研究首先从分离减m b r 开始。1 9 9 1 年，岑运 华介绍了m b r 在日本的研究状况；1 9 9 3 年，上海华东理工大学环境工程研究所 进行了m b r 处理人工合成污水和制药废水的可行性研究；同年中国科学院环境工 程研究中心王菊思启动m b r 的研究；1 9 9 5 年，樊耀波将b i b r 用于石油化工污水 净化的研究，研制出一套实验室规模的好氧m b r 。 近年来，膜生物反应器的处理对象不断扩展。邢传宏采用无机膜一生物反应 器进行了处理生活污水的试验，考察了i m b r 在不同s r t 下的处理效果、膜的堵 塞及清洗的研究；黄霞等进行了膜一活性污泥法组合污水处理工艺的试验研究， 管运涛进行了两相厌氧m b r 工艺的研究，系统对c o d 的去除率达9 5 ，s s 的去除 率达9 2 9 6 以上，酸化率6 0 8 0 ，气化率8 0 9 0 9 6 左右；何义亮采用厌氧船r 进 行高浓度食品废水处理；王连军用无机膜一生物反应器处理啤酒废水；顾平等采 用国产中空纤维膜对生活污水作了中试研究，结果表明：m b rt 艺出水悬浮物为 零，细菌总数由于饮用水标准，c o d 和氨氮去除率都高于9 5 ，出水可直接回用。 1 4 4 2 膜生物反应器的应用现状 膜生物反应器技术在污水处理领域目前正在受到广泛的重视，并在世界范 围内开始引用。据k o y u n c 0 1 9 9 8 年调查统计，世界上每天约五百万方各类水质的 西安建筑科技大学硕士学位论文 水经过膜工艺进行处理。 好氧m b r t 艺最早的实际商业应用是在2 0 世纪7 0 年代末的北美。厌氧m b r 工 艺的首次实际商业应用时8 0 年代早期在日本和南非而在欧洲，好氧m b r _ t _ 艺的 第一次出现是在8 0 年代中期。目前在世界范围内，实际运行的m b r 系统已经超过 5 0 0 套，同时许多工程正在计划或者建设中。m b r 在日本的商业应用发展很快，世 界上约6 6 的工程在日本，其余主要在北美和欧洲。这些工程中9 8 以上是膜分离 工艺与好氧反应器的结合。约5 5 是浸没于生物反应器中，其余则是膜器件置于 生物反应器之外。 不同的商业化m b r 采用不同的方法，来获取相应膜通量所需的膜驱动压力。 k u b o t am b r 采用高于膜组件的静态水压头，膜在正常情况下浸于一定液面深度 下。z e n o g e n lm b r 采用静态水压头与真空抽吸相结合的方法，k u b o t a t 艺在高峰 水力负荷时也用此法。o r e l i s 和w e h r l e w e r km b r 采用控制与外部循环膜组件相 连的循环系统压力值得方法。 好氧m b r 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括化妆品、医药、 润滑油、纺织、屠宰场、乳制品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂。 在欧洲垃圾填埋渗滤液的好氧m b r 处理厂正在兴建。目前在北美，船r 处理生活污 水的应用主要是流量在l o 2 0 0 m 3 d 的小型处理装置。已有5 0 余座此类设施正在 运行。主要分布于住宅、办公开发区、购物中心、学校、宾馆和旅游度假区。这 些生物反应器设计h r t 均在2 4 h 以上，s r t 也都较高，因为每年只排泥1 2 次。通 常出水经过u v 消毒和活性炭吸附后，通过另一套管网来供冲厕回用。以前安装的 系统都采用管式膜，但是新安装的项目均为浸没式膜系统。 m b r 在北美的工业应用集中于难处理的污水，例如含合成油脂的金属加工废 水，现在约有5 0 套装置。这些装置流量最大为7 5 0 m 3 d ，主要使用管式膜。 1 9 9 8 年在c o l o r a d o 州的a r a p a h o e 县，给水排水管理局对所属的长树污水处 理厂( l o n et r e ew t t p ) 进行了扩建，以满足当时日平均流量3 8 0 0 m 3 d 的要求， 改建采用了z e n o n g e mm b r 工艺。 在比利时，因为1 9 9 2 年欧盟城市污水规范( u w l 】t d ，e u u r b a nw a s t ew a t e r d r e c t i v e ) 的颁布和实施，众多污水厂正在改造之中，以符合u w w t d 的要求。m b r 工艺是颇具竞争力的选择之一其中s c h i l d e 地区污水处理厂( 2 8 0 0 0 p e ，约合 1 0 0 0 0 m 3 d ) 在水质和处理水量两方面都需要提高。因为其占地面积无法扩大， 而且污水厂处理设施本身容积又小，所以最后决定采用流程紧凑的m b r 工艺。 在英国，水资源匮乏的问题使污水回用率越来越高。在大学、宾馆、饭店 等高使用率的建筑中，诸如膜分离法类的物理工艺与生物工艺、化学工艺相结合 的深度处理流程得到越来越多的应用。当前流行的工艺是把膜法与生物工艺结合 西安建筑科技大学硕士学位论文 使用，产生低浊度、低病原体和有机物的出水。在英国，较大规模中水回用工程 之一位于m i l l e n n i u md o m e ，此工程即是生物处理后进行膜分离，日处理中水 1 0 0 0 0 0 m 3 ，出水回用于冲厕，其出水接近于饮用水标准。可以看到，用现有技术 能够把任何污水处理到任何水质，问题是如何用最简单的工艺方案满足各种不同 的用水要求。 我国膜分离技术的开发是从1 9 5 8 年研究离子交换开始的。我国政府对膜分 离技术的研究和开发工作十分重视，自“六五”以来，已连续四个五年计划都把 膜分离技术作为重点项目进行支持，并先后资助成立了国家液体分离膜工程技术 研究中心和膜技术国家工程研究中心。我国在2 0 0 0 年将膜材料和膜产业列为国家 重点支持的2 2 项化工产业之一。2 0 0 1 年2 月1 4 日国家计委在科技日报上发表 了国家计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告。目前全国已有膜 科学与技术开发单位上百个。形成了基本配套的几千人的研究和技术开发队伍。 我国膜工业企业有数百家。但是膜分离品种少，性能较低，规格不全。一些高性 能的分离膜还需要进口。膜分离技术上的一些重要配套设备，如专业泵、计量器、 自控装置等，还需要进一步开发。 中国科学院生态研究中心，自1 9 9 3 年开始膜生物反应器的研究工作。目前， 国内活跃的膜生物反应器废水处理研究机构由中科院、清华大学，同济大学、哈 尔滨工业大学、华东理工大学等单位。研究集中于膜工艺的开发和膜污染的防治 等。 在实际工程应用上，天津清华德人环境工程有限公司利用天津大学国家“八 五”、“九五”重点科技攻关项目“中空纤维膜生物反应器污水处理系列装置研 究”的科技成果，率先在国内实施了膜生物反应器在水处理行业的产业化，取得 了很好的效果。国家环保局将其列为2 0 0 1 年国家重点环境保护实用技术项目在全 国推广发布。其系列产品范围为5 1 0 0 0 m 3 d ，其气水比为( 1 5 ：1 ) ( 2 5 ：1 ) 之间，c o d 去除率达9 0 ，氨氮去除率达9 9 ，而且通量变化不大。生物反应器中 m l s s 大多在5 0 0 0 1 0 0 0 0 m g l 。处理吨水电耗为0 4 o 8 k w h 。清华德人环境工 程有限公司还投资在天津新技术产业园区，建立了膜反应及其他高新环保技术设 备的生产研究基地。该产品已经应用于天津开发区泰达会馆、天津第三医院、天 津水上村医院、天津市政府大楼等污水处理回用工程中，在中水冲车、中水冲厕、 写字楼、宾馆饭店、医院等生活污水处理回用，工业印染废水处理回用、垃圾渗 滤液处理等领域已建立了2 0 多项示范工程。 北京申办2 0 0 8 年奥运会而全面改造公厕，该公司为此设计了循环水冲厕装 置( 日处理量5 吨) ，原来每天用的4 吨水现在可以用7 天，还节省了抽污费用。 北京市长安街的2 0 0 座厕所已经得到改善并投入运营。 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 由日本株式会社“荏原制作所”研制开发，上海荏原成套工程有限公司生 产销售的p w p 膜分离活性污泥处理装置为专门处理高浓度有机废水的系列产品。 该膜生物反应器装置已经获得了上海市环境保护局颁发的环境保护产品认定术 及中华人民共和国实用新型专利。其产品已经有4 0 余套应用于全国各地，处理量 为5 9 5 0 t d ，涉及化工、制药、食品、畜产和生活废水等各行业。 根据钱易报道，目前关于m b r 国内正在进行三种类型反应器的研究：陶瓷 膜与曝气生物反应器的结合聚乙烯中空纤维膜与曝气生物反应器的结合聚 乙烯中空纤维膜与厌氧生物反应器的结合。 1 4 4 3m b r 反应器对生活污水中污染物的去除特性 好氧m b r 出水受容积负荷与水力停留时间的影响较小。李红兵【3 l 】在i - i r t 为1 5 h ，5 8 h ，c o d 容积负荷在高负荷1 5 7 6 k g ( m 3 d ) 与稳态运行条件下 o 8 l k ( m 3 d ) 处理效果基本相同，系统对c o d 去除率达到9 0 以上。 冲击负荷对有机物去除没有显著影响，但n h 3 二n 受冲击负荷影响显著，出水 n h 3 - n 的恶化程度与冲击负荷的大小成正比。刑传宏等1 2 9 3 在利用m b r 对城市 污水回用处理中试试验中，在h r t 为5 h ，s r t 分别为5 d ，1 0d ，3 0d 的 不同运行工况下，考察了m b r 中体积负荷的变化和整个处理过程出水水质情 况。该研究表明，整个运行过程中的最小体积负荷为0 4 5 k g c o d m 3 d ，与 传统活性污泥法范围的较低值接近，最大体积负荷为l o 2 7k g c o d m 3 d ， 是传统活性污泥法的1 3 2 7 倍，然而最大体积负荷时相应的出水c o d 仅为 2 1 m g l ，表明m b r 具有很强的耐冲击负荷能力。 罗虹等 3 0 1 用m b r 处理进水c o d 平均为2 5 0 m g l 的生活污水时，一次性 投加了2 0 0 0 m g l 的活性炭，出水维持在5 m g l 左右。与未投加活性炭的试验 结果相比，c o d 去除率有所增加( 由9 2 增加到9 7 ) 。尤朝阳等在膜生物 反应器中投加泡沫填料，使反应器内的悬浮生物量降低到2 4 4 0 m g l ，减轻了 对膜组件的污染，而反应器内的总生物量仍能保持在较高水平。由于泡沫填料内 缺氧环境的存在，使得反应器去除氨氮的效果优于普通膜生物反应器。 黄霞等田l 对一体式m b r 处理合成废水( 典型城市污水水质) 的研究表明 上清液的t o c 浓度大多数可能是生物反应过程中产生的微生物代谢产物。该研 究在运行5 个月后出现了上清液的下降，表明m b r 中积累的可溶性代谢产物 能够被生物降解，尽管需要很长的适应期。r i t a n a n n 也报道了可溶性微生物产 物是可生物降解的，但降解速率很低。 对于m b r 脱氮而言，目前多数依旧是建立在传统的硝化一反硝化机理之 上的两级或单级脱氮工艺，同时，新的脱氮理念也深入到了m b r 工艺中。m b r 工艺由于泥龄长，对n h 3 - n 的去除效果非常好，多数情况下出水n h 3 - n 低于 1 0 西安建筑科技大学硕七学位论文 l m g l ，去除率大于9 0 报道说当泥龄从1 0 d 增长到5 0 d 时，氨氮去除率 从8 0 增长到9 9 ( c o m 等) ，当泥龄从5 d 增长到l o d 时，氨氮去除率从 9 4 增长到9 9 ( f a n 等) 。邹联沛等研究了m b r 中做对同步硝化反硝化的 影响，得出结论为做在1 m 班时，最高n i - 1 3 - n 和t n 的去除率为9 5 和 9 2 。d a v i d 等在一体式m b r 的中试研究中指出，只要严格控制f m 和p h 值，就可以达到较高的氨氮去除率。 m b r 一般具有很长的泥龄，从这个意义上讲不利于磷的去除。从大多数 m b r 工艺运行结果来看，出水磷的浓度并不理想，出水t p 很难降至l m g a ，以 下。但是在m b r 系统生物法除磷研究中，也有一些成功的例子，其中p e d r o a c 等利用生物膜一膜反应器就是一例，该研究表明，当有机物负荷在1 5 g c o d ( m z 条件下得到的p 0 4 一p 去除率达到7 2 ；得到的最大p 0 4 一p 去除率为8 5 1 4 4 4m b r 反应器中污泥混合液特性 m b r 混合液浓度在1 0 2 0 9 l 之间是最为常见的数值，甚至在一些零 排泥的系统中高达5 0 9 l ( h o m e n 和e i k r l